rrna的作用

论文：RNA种类和功能的多样性

RNA种类和功能的多样性

$

引言

DNA是遗传信息的主要载体,生物体的生理功能主要由蛋白质

来执行。在DNA和蛋白质之间,RNA起着中介作用。与DNA相

比,RNA种类较多,分子量相对较小,在遗传信息表达和调控过程

中各类RNA分别发挥作用。这是我们对RNA的基本知识。随着

研究的深入,人们发现生物体内RNA的种类和功能已远远超出从

前对它的认识,不仅仅是在基因表达时作为中介那样简单,它在

生命活动的各个方面和生物进化过程中起着相当重要的作用。现

从生物体内RNA的种类和功能的多样性作一概述。

-

摘要：生物体内目前已发现的RNA有十多种。RNA可以作为病毒基

因组;RNA在蛋白质生物合成,包括转录、转录后的加工、编辑、修

饰中扮演了重要角色;具有重要的催化和持家功能,对基因表达和

细胞功能进行调节,并在生物进化中起重要作用。

关键词：RNA;种类;功能

2生物体内RNA的种类

目前看来,生物体内有14个种类的RNA:(1)信使RNA(mRNA),

携带从DNA转录来的遗传信息。(2)转运RNA(tRNA),负责蛋白

质合成时氨基酸的转运。(3)核糖体RNA(rRNA),在核糖体中起

装配和催化作用。(4)具有催化作用的RNA,即核酶(ribozyme)

和其它RNA自我催化分子。(5)基因组RNA(genomeRNA),指一

些病毒以RNA为遗传物质。(6)指导RNA(guideRNA),是指导RNA

编辑的小RNA分子。(7)mRNA样非编码RNA,其转录和加工方式

同mRNA,但不翻译为蛋白质。已知这类RNA有20多种,例如人的

xistRNA和X染色体的XIST结合,使此X染色体失去转录活性。(8)

tmRNA,本身既是tRNA又是mRNA,翻译时一身二任。如大肠杆菌

中的10SaRNA。(9)小胞质RNA(smallcytoplasmicRNA,scRNA),

存在于细胞质中的小RNA分子。如信号识别颗粒(signal

recognitionparticle,SRP)组分中含有的7SRNA。(10)小核

RNA(smallnuclearRNA,snRNA),是剪接体的组分。(11)核仁

小RNA(smallnucleolarRNA,snoRNA),参与rRNA的加工。(12)

端粒酶RNA,是真核生物端粒复制的模板。(13)反义

RNA(antinRNA),可通过与靶位序列互补而与之结合的RNA,

或直接阻止靶序列功能,或改变靶部位构象而影响其功能。（14）

小RNA,包括miRNA和siRNA。

信使RNA（messageRNA,mRNA）

信使RNA属于唯一的编码RNA，是编码蛋白的转录产物。其

作为基因与蛋白质生物合成的之间的“信使”，可通过密码三联

子翻译生成特定的蛋白质序列，从而起着遗传信息由DNA表现到

蛋白质的中间传递者的核心作用。相对而言，mRNA在细胞中的

含量很少，并且寿命很短，完成任务以后便被降解而非持续存在。

mRNA的降解在它发挥调控功能的过程中起着重要作用。

贮存在DNA上的遗传信息通过mRNA传递到蛋白质上，mRNA与

蛋白质之间的联系是通过遗传密码的破译来实现的。mRNA上每3

个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就

称为密码，也叫三联子密码即密码子（codon）[1]。mRNA与核糖

体结合后作为蛋白质合成的模板，其上的密码子与tRNA上的反密

码子相互作用，多肽链依次延长，最后形成完整的多肽链再经进

一步变化成为蛋白质。举个例子：如果把DNA比作大学里的导师，

（显然二者同样在各自的小圈子里处于核心支配地位）那么可以

把实验成果比喻为蛋白质，导师一般不必亲自做实验，而可以通

过比如手下的博士生（相当于mRNA）向研究生或其他学生提供思

路和方向（信息）。在试验台（相当于核糖体或rRNA）上直接做

实验的学生（相当于tRNA）按照要求投入实验原料（看做氨基酸），

并最终得到实验结果。当然，例子不尽完善，所体现出来的RNA

功能也只是很浅层次的，实际上RNA具有其他许多保障完成使命

的其他功能。

转运RNA（transferRNA,tRNA）

转运RNA（transferRNA,tRNA），负责特异性读取mRNA中包

含的遗传信息，并将信息转化成相应氨基酸后连接到多肽链中。

tRNA为每个密码子翻译成氨基酸提供了结合体，同时还准确地将

所需AA运送到核糖体上。鉴于tRNA在蛋白质合成中的关键作用，

又把tRNA称作第二遗传密码。tRNA具有三叶草型二级结构以及

“L”型三级结构，这些高级结构是适用于tRNA的生物功能的，

并为我们提供了研究线索。tRNA的不同种类及数量可对蛋白质合

成效率进行调节。

核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA）

核糖体RNA是细胞中最为丰富的RNA，在活跃分裂的细菌细胞

中占80%以上。他们是核糖体的组分，并直接参与核糖体中蛋白

质的合成。核糖体是rRNA提供了一个核糖体内部的“脚手架”，

蛋白质可附着在上面。这种解释很直接很形象，但是低估了rRNA

在蛋白质合成中的主动作用。较后续的研究表明，rRNA并非仅仅

起到物理支架作用，多种多样的rRNA可起到识别、选择tRNA以及

催化肽键形成等多种主动作用。例如：核糖体的功能就是,按照

mRNA的指令将氨基酸合成多肽链。而这主要依靠核糖体识别tRNA

并催化肽键形成而实现。可以说核糖体是一个大的核酶

(ribozyme)[2]。而核糖体的催化功能主要是由rRNA来完成的,

蛋白质并没有直接参与。此外，在物种研究方面rRNA也有用途：

rRNA结构既具保守性又具高变性，保守性反映生物物种的亲缘

关系，高变性则揭示生物物种的特征核酸序列，是属种鉴定的分

子基础[3]。

】

核酶（ribonucleicacidenzyme,简称ribozyme）

2.4.1核酶的发现与分类

从人类认识到酶的存在开始到20世纪80年代初期,酶的

本质是蛋白质这一概念根深蒂固。但是美国科罗拉多大学的Cech

等人的出色工作却从根本上改变了人们的这一认识。美国科罗拉

多大学（Boulder分校）cech实验室首先发现了RNA具有酶活性，

因此Cech与Altman分享了1989年的诺贝尔化学奖.

根据一级序列的大小不同,核酶可以被分成小分子核酶和大

分子核酶.小分子核酶包括锤头核酶、发卡核酶、VS(varkud

satellite)核酶以及HDV(hepatitisdeltavirus)核酶,它们

的序列长度都在200个核苷酸以下.大分子核酶包括RNaP,Ⅰ

型内含子（groupⅠintron）,Ⅱ型内含子(groupⅡintron)

以及核糖体，它们的序列长度从几百到几千核苷酸不等.

2.4.2核酶的功能

核酶在自然界中广泛存在,在三界生物中都被发现并参与

多种多样的生物学反应.小核酶主要存在于病毒、类病毒和微卫

星的RNA基因组中,加工滚环复制获得的中间产物到基因组长

度[4]Ⅰ型和Ⅱ型内含子在低等真核生物和植物的细胞器基因组

中富集存在[4],它们的准确剪接对其宿主基因所编码的RNA的

成熟至关重要[].目前为止,发现两类核酶在三界生物中普遍存

在,起看家功能.一类是负责加工tRNA成熟的核糖核酸酶

RNaP(ribonucleaP),它由蛋白质和RNA共同组成,但其

催化功能由RNA组分独立完成,因此称为RNaP核酶[7].另

外,在生物体最重要的生物学过程——多肽的合成中,肽键的形

成是由核糖体RNA的肽酰转移酶活性催化的,这意味着核糖体也

是一个核酶[8].

tmRNA

tmRNA是一类普遍存在于各种细菌及细胞器（如叶绿体，线

粒体）中的稳定小分子RNA。它具有mRNA分子和tRNA分子的双

重功能，它在一种特殊的翻译模式——反式翻译模式中发挥重要

作用。同时，它与基因的表达调控以及细胞周期的调控等生命过

程密切相关，是细菌体内蛋白质合成中起“质量控制”的重要分

子之一。

2.5.1tmRNA的结构

tmRNA主要包括12个螺旋结构（helix1-helix12,H1-H12）

和4个“假结”结构（pudoknots,pK1-pK4），同时还包括一个

可译框架（openreadingframe,ORF）序列的单链RNA结构。tmRNA

中H1由5’端和3’端两个末端形成，与tRNA的氨基酸受体臂

相似。H1和H2的5’部分之间有一个由10-13nt形成的环，类

似tRNA中的二氢尿嘧啶环，称为“D”环。H3和H4，H6和H7，

H8和H9，H10和H11之间分别形成Pk1，pK2，pK3，pK4。H4和

H5之间则由一段包含编码标记肽ORF的单链RNA连接。H12由5

个碱基对和7nt形成的环组成，类似tRNA中的TΨC臂和TΨC

环，称为“T”环[9]。

tmRNA结构按照功能进行划分可分为tRNA类似域（TLD）和mRNA

类似域（MLD），TLD主要包括H1,H2,H12,“D”环和“T”环，MDL

则包括ORF和H5，这两部分分别具有类似tRNA和mRNA的功能。

·

2.5.2tmRNA的功能

2.5.2.1反式翻译

当一个正常的翻译过程将要结束时，可能由于遇到该mRNA缺少

正常的终止密码子，该核糖体依然会滞留在该mRNA上，这时就

需要tmRNA结合到该核糖体上，在不完整的新生多肽链上连接一

段能被某些特异性蛋白水解酶降解的标记肽，并使核糖体的两个

亚基分离开，使其能迅速下一轮翻译过程。

2.5.2.2基因表达调控

tmRNA通过与包括LacI和其它调节蛋白在内的DNA结合蛋白相

互作用，以减少这些调节因子在生物体内的自由含量，从而降低

其调节活性，实现对基因的表达调控。

2.5.2.3细胞周期调控

tmRNA的活性对于细胞从G1-S期的过渡是必需的，表明在DNA

复制时期，可能需要一条依赖tmRNA的信号通道。

核仁小RNA(snoRNA)

2.6.1snoRNA的结构

snoRNA是细胞核内的一类高丰度的小分子非编码RNA按其结结构

与功能特点，绝大多snoRNA可归为两类boxC/DsnoRNA和box

H/ACAsnoRNA，均具有保守的特征二级结构，boxC/DsnoRNA类

能形成“发夹-铰链-发夹-尾部”状二级结构（图a）。boxC/D

snoRNA其分子两端的boxC,boxD以及末端配对序列能形成保守

的“茎-内环-茎”状二级结构，称为“K-turn”结构（图b,c）

[10]。

*

目前，在真核生物C/DsnoRNA古细菌C/DsnoRNA和H/ACAsnoRNA

以及rRNA，U4snRNA中都发现了“K-turn”结构，说明它是一种

在RNA中保守存在的与蛋白质相互作用的二级结构。

2.6.2snoRNA的功能

大多数boxC/DsnoRNA和boxH/ACAsnoRNA分别具有指导rRNA，

snRNA或tRNA前体中特定核苷2’-O-核糖甲基化修饰与假尿嘧啶

化修饰的功能；少部分snoRNA参与rRNA前体的加工剪切，与rRNA

的正确折叠和组装相关。

（microRNAs；miRNA，又译小分子RNA）

2.7.1miRNA的结构

miRNA广泛地存在于多重真核生物中，从低等生物到人类都

有其存在的痕迹。它是一类长度为21~25nt的单链RNA分子片

段，属于非蛋白编码RNA。miRNA和siRNA都是经Dicer作用而

形成的产物，也称为Dicer产物。

miRNA有一个很有趣的共同特点,就是它的序列存在于茎环

结构中的茎上。这种茎环结构通常是由70多个核苷酸组成的不

完全的发夹结构,上面有一些凸起和环状结构。茎部形成双链

RNA,但不是严格互补,可存在错配和GU摆动配对。

2.7.2miRNA的功能

miRNA基因是一类高度保守的非编码基因大家族，它在基因

调节方面具有巨大的潜力。据其作用模式的不同可以分为三类：

第一类如lin4，与mRNA不完全互补，当miRNA与靶mRNA不完

全配对结合时，主要影响其翻译过程而对mRNA的稳定性无影响。

第二类如miR39和miR171，与其靶mRNA完全互补，当其与mRNA

完全配对结合后，分裂切割靶mRNA。第三类作用模式如let7，

当其与靶RNA完全互补配对时，直接靶向切割mRNA，而不完全

互补配对时起调节基因表达的作用[11]。

-

小干扰RNA（SmallinterferingRNA；siRNA）有时称为短干

扰RNA（shortinterferingRNA）或沉默RNA（silencingRNA）

2.8.1siRNA的发现

1990年初，科学家在矮牵牛花中导入与花青素合成有关的查尔

酮合成酶基因。原以为转基因的牵牛花会变得更鲜艳，结果却发

现，一些花反而被漂白了。这种过度表达内源基因而引发的基因

沉默被称为共阻遏。在上述研究的背景下，Fire等[12]在进行线

虫基因沉默研究中，分别注射肌肉蛋白的正义、反义和双链RNA，

结果表明双链RNA的抑制效果是单链RNA的10到100倍。他

们将这种双链RNA抑制基因表达的现象称为RNA干扰(RNAi)，

把引发RNA干扰现象的RNA称为干扰RNA。他们因此获得了2006

年诺贝尔生理学或医学奖。

2.8.2siRNA的功能

siRNA是长度20到25个核苷酸的双股RNA，在生物学上有

许多不同的用途。目前已知siRNA主要参与RNA干扰（RNAi）现

象，以带有专一性的方式调节基因的表达。此外，也参与一些与

RNAi相关的反应途径，例如抗病毒机制或是染色质结构的改变。

其生理意义在于，生物的抗御机制，调控细胞分化与胚胎发育，

维持基因组的稳定以及RNA水平上的调控机制。

3.小结

RNA分子种类的多样性,集信息分子和功能分子于一身,促使人

们对RNA的地位作出新的思考。RNA可能是具有最复杂演化历史

的生物大分子,它的转录后加工远比任何一类大分子合成后的加

工都复杂,拼接、编辑和干扰可以消除基因突变的危害,增加遗传

信息的多样性,促进生物进化,使生物体结构和功能不断完善。研

究表明,RNA可能也是学习,记忆及某些获得性遗传的分子基础。

有关RNA的研究必将继续为科学界所关注。